TexturedevelopmentinTi–6Al–4Vlinearfrictionwelds..doc

TC4钛合金（Ti-6Al-4V）在线性摩擦焊过程中的组织演变 M. Karadge a,?, M. Preuss a, C. Lovell b, P.J. Withers a, S. Bray c a 英国曼彻斯特大学材料学院，地址：Grosvenor Street, Manchester M1 7HS, UK b 英国伯明翰大学冶金与材料系，地址：Edgbaston, Birmingham B15 2TT, UK c 英国劳斯莱斯有限公司，地址：Elton Road, Derby DE24 8BJ, UK 初次收稿于2006年1月1号；终稿收于2006年12月20日；2006年12月21日正式启用。 摘要 我们分别采用了实验室小件（LS）和实际大小件（FS）的Ti–6Al–4V合金接头进行线性摩擦焊实验，通过扫描电镜及其背散射衍射模式（EBSD）对焊接区观察，得到了焊态以及焊后热处理（PWHT）态的微观结构和组织演变情况。相比于LS件，FS件焊接中的塑性影响区（PAZ）尺寸将近大了一倍。在两种线性摩擦焊式样的焊缝上的一些区域都观察到极细马氏体组织。背散射衍射模式组织观察显示：在焊缝上的PAZ有明显的组织变化（过渡）。焊态和焊后热处理试样的焊缝上均有明显的{10-1 0}11-2 0横向织构。在LS的塑性影响区上清晰地呈现了地从随机取向到横向织构的组织变化，而FS线性摩擦焊件焊缝上则是横向组织，且其塑性影响区上是弥散的带状横向轧制组织和{11-2 2}11-2 3型轧制组织。在LS和FS的焊接区组织的不同因β→α转变过程的参数选择不同而异。 关键词：线性摩擦焊；Ti-6Al-4V；形变；组织；背散射电子衍射 ? 2007 Elsevier B.V. All rights reserved. 1.前言 摩擦焊技术是利用金属块的相互摩擦产热来焊接零件。在给定压力和振动频率下，零件接触界面上产生大量的摩擦热，提高了界面上合金的塑性变形能力（高温粘塑性），当振动停止时向焊件施加顶锻压力，使两接触面上的合金发生冶金接合（焊合）。整个过程经历1～2秒。得益于高度局限的热影响区，摩擦焊工艺避免了合金的熔融和再凝固过程。而这一特点对于那些难于焊接的高性能材料和异种合金的焊接具有重要意义。在诸多摩擦焊工艺中，线性摩擦焊（LFW）通常应用于焊合非轴对称件的平面部，例如，涡轮叶片可以轻而易举地通过摩擦焊焊合到涡轮盘上，以构建一个一体叶盘（整体式叶盘blisk）。但是，由于该焊接过程的特殊性，在紧邻焊合线的区域上出现了变形区（PAZ：塑性影响区）因此应当考虑到塑性影响区的剧烈显微组织的变化。 现今，航空发动机工业对轻质高性能整体式钛合金叶盘的需求(用以代替目前开缝叶片/叶盘组件)，促使线性摩擦焊技术得到了很大的发展。线性摩擦焊技术也可以用于异质合金的焊合，从而能利用不同合金的各自优点到达叶片（高温高周疲劳环境）和叶盘（低周疲劳环境）性能最优化效果。尽管当下各航空发动机生产厂商都在发展线性摩擦焊技术上投入大量资金，但关于这一课题的已发表文献只有少部分对外开放。 Vairis和Frost[1,2]在以Ti–6Al–4V钛合金为材料体系的基础上，系统地研究了线性摩擦焊的性质，已发现整个过程有四个阶段。（一）初始阶段：由于摩擦磨损和热塑性效应，焊件界面接触面积不断增加。（二）过渡阶段：热影响区的表面粗糙细质扩大为块状的材料，同时大的磨损颗粒被挤出摩擦界面形成初始的不规则飞边。（三）平衡（稳定）阶段：随着更多热塑化合金的排出，轴向缩进开始，这些排出合金在摩擦界面边形成均匀的飞边，表明焊合地比较理想。建模和实验的方法都表明，在距焊合线1.6mm处温升到达650–700℃，在焊合线上则高于900 ℃。冶金学有关证据表明当形变时的温度超过β转变温度，随后将会在焊线上也产生针状α马氏体。[3–5] （四）减速阶段：当达到所需缩锻要求时，两焊件街头 迅速停止（0.1秒内），需保持一段时间的顶锻压力以巩固焊合。接头在这样短的过程中达到如此程度的温升和变形，这将引起显著的微观组织变化，由此可以影响横向焊缝的机械性能和残余应力水平。 M. Karadge et al. / Materials Science and Engineering A 459 (2007) 182–191 研究人员在一些如Ti–6Al–4V [3]和Ti–6.5Al–1.9Zr–3.3Mo–0.25Si [4]以及Ti–6A1–2Sn–4Zr–2Mo–0.1Si (wt.%)和Ti–13.5A1–21.5Nb (wt.%) [5]的钛铝合金材料体系上进行线性摩擦焊实验，发现在β转变温度以上进行热变形并快速冷却会使β晶粒发生再结晶并在随后冷却过程中生成魏氏体态的马